Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Внутренняя структура аэрографита с «закрытой графитовой оболочкой» ( снимок СЭМ ).

Аэрографит - это синтетическая пена, состоящая из пористой взаимосвязанной сети трубчатых углеродов. При плотности 180 г / м 3 это один из самых легких конструкционных материалов, когда-либо созданных. Он был разработан совместно группой исследователей из Университета Киля и Технический университет Гамбурга в Германии, и был первым сообщил в научном журнале в июне 2012 года .

Структура и свойства [ править ]

Аэрографит - это отдельно стоящий черный материал, который можно производить в различных формах, занимая объем до нескольких кубических сантиметров. Он состоит из бесшовной взаимосвязанной сети углеродных трубок, имеющих микронный диаметр и толщину стенок около 15  нм . Из-за относительно меньшей кривизны и большей толщины стенки эти стенки отличаются от графеноподобных оболочек углеродных нанотрубок и по своим свойствам напоминают стекловидный углерод . Эти стенки часто прерывистые и содержат морщинистые участки, улучшающие упругие свойства аэрографита. Углеродные связи в аэрографите имеют характер sp 2 , что подтверждается спектроскопией потерь энергии электронами.и измерения электропроводности . При внешнем сжатии проводимость увеличивается вместе с плотностью материала от ~ 0,2 См / м при 0,18 мг / см 3 до 0,8 См / м при 0,2 мг / см 3 . Электропроводность выше для более плотного материала, 37 См / м при 50 мг / см 3 . [1]

Благодаря своей взаимосвязанной трубчатой ​​сетчатой ​​структуре аэрографит намного лучше сопротивляется растягивающим силам, чем другие пенопласты, а также аэрогели кремнезема . Он выдерживает обширные упругие деформации и имеет очень низкий коэффициент Пуассона . Возможно полное восстановление формы образца высотой 3 мм после его сжатия до 0,1 мм. Его предел прочности при растяжении (UTS) зависит от плотности материала и составляет около 160 кПа при 8,5 мг / см 3 и 1 кПа при 0,18 мг / см 3 ; для сравнения, самые прочные аэрогели диоксида кремния имеют UTS 16 кПа при 100 мг / см 3 . Модуль Юнга составляет ок. 15 кПа при 0,2 мг / см 3при растяжении, но намного ниже при сжатии, увеличиваясь с 1 кПа при 0,2 мг / см 3 до 7 кПа при 15 мг / см 3 . [1] Плотность, указанная авторами, основана на измерении массы и определении внешнего объема синтетических пен, которые обычно выполняются также для других структур.

Аэрографит супергидрофобен , поэтому его образцы размером с сантиметр отталкивают воду; они также довольно чувствительны к электростатическим воздействиям и самопроизвольно прыгают на заряженные объекты. [1]

Синтез [ править ]

Аналогичные многостержневые шаблоны из ZnO, имеющие различный диаметр, плотность сетки и топологию, используются для осаждения аэрографита.

Общие аспекты синтеза:
с химическим осаждением аэрографита из паровой фазы.В 2012 году было показано, что оксиды металлов процесса (CVD) являются подходящим шаблоном для нанесения графитовых структур. Шаблоны можно удалить на месте. Основным механизмом является восстановление оксида металла до металлического компонента, зародышеобразование углерода в металле и поверх него и одновременное испарение металлического компонента. Требования к оксидам металлов: низкая энергия активации для химического восстановления, металлическая фаза, которая может образовывать зародыши графита, низкая температура испарения металлической фазы (ZnO, SnO). С инженерной точки зрения разработанный процесс CVD позволяет использовать обработку керамического порошка (использование нестандартных частиц и мостиков для спекания) для создания шаблонов для 3D-углерода с помощью CVD. Основными преимуществами по сравнению с обычно используемыми металлическими шаблонами являются: разнообразие форм частиц,создание мостиков спекания и удаление без применения кислот. Механизм CVD, первоначально продемонстрированный на сетчатых графитовых сетках с размером ячейки всего микрон, был принят после 2014 года другими учеными для создания углеродных структур с размером нанометра.[2] [3]

Подробная информация для справки: [1]
Аэрографит получают путем химического осаждения из паровой фазы с использованиемшаблона ZnO . Шаблон состоит из стержней микронной толщины, часто в форме множественных стержней, которые можно синтезировать путем смешивания сопоставимых количествпорошковZn и поливинилбутираля и нагревания смеси до 900 ° C. Синтез аэрографита осуществляется при температуре ~ 760 ° C в потоке газообразного аргона, к которому добавляется толуол.пары вводятся в качестве источника углерода. Тонкий (~ 15 нм) прерывистый слой углерода осаждается на ZnO, который затем вытравливается путем добавления газообразного водорода в реакционную камеру. Таким образом, оставшаяся углеродная сетка точно соответствует морфологии исходного шаблона ZnO. В частности, узлы аэрографитовой сети берут начало от стыков многоподов ZnO. [1]

Возможные приложения [ править ]

Электроды из аэрографита были испытаны в электрическом двухслойном конденсаторе (EDLC, также известном как суперконденсатор ) и выдержали механические удары, связанные с циклами загрузки-разгрузки и кристаллизацией электролита (которая происходит при испарении растворителя). Их удельная энергия 1,25 Втч / кг сопоставима с удельной энергией  электродов из углеродных нанотрубок (~ 2,3 Втч / кг). [1]

Световые паруса [ править ]

Как черный, так и светлый аэрографит был предложен в качестве материала-кандидата для световых парусов . [4]

См. Также [ править ]

  • Металлическая микрорешетка
  • Графен
  • Аэрогели

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f Мекленбург, Матиас; Шухардт, Арним; Мишра, Йогендра Кумар; Капс, Сорен; Аделунг, Райнер; Лотник, Андрей; Кинле, Лоренц; Шульте, Карл (2012). «Аэрографит: сверхлегкий, гибкий материал наностенки, углеродные микропробирки с выдающимися механическими характеристиками». Современные материалы . 24 (26): 3486–90. DOI : 10.1002 / adma.201200491 . PMID  22688858 .
  2. ^ Похараткул, Д .; Wisitsoraa, A .; Lomas, T .; Туантранонт, А. (2014). «3D полые углеродные нанотетраподы, синтезированные трехступенчатым парофазным транспортом». Углерод . 80 : 325–338. DOI : 10.1016 / j.carbon.2014.08.071 .
  3. ^ Гонг, Вт .; Chen, W .; He, J .; Tong, Y .; Liu, C .; Вс, Л .; Вс, Л .; Gao, B .; Ян, H .; Zhang, Y .; Чжан, X. (2015). «Независимый от субстрата синтез большой площади тонких пленок углеродных нанотрубок с использованием наностержней ZnO в качестве темплата и дофамина в качестве прекурсора углерода». Углерод . 83 : 275–281. DOI : 10.1016 / j.carbon.2014.11.018 .
  4. ^ Хеллер, Рене; Англада-Эскуде, Гиллем; Хиппке, Майкл; Кервелла, Пьер (2020). «Недорогой предвестник межзвездной миссии». Астрономия и астрофизика . 641 : A45. arXiv : 2007.12814 . Bibcode : 2020A & A ... 641A..45H . DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 202038687 . S2CID 220793708 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Видео электростатического эксперимента на YouTube